基于量子化学的太赫兹吸收峰形成机理研究

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作为“改变未来世界的十大技术”之一,太赫兹技术是我国科技创新重要发展领域,目前已被广泛应用在食品安全、公共安全及医疗卫生等领域。由于晶体中晶格的低频振动以及分子间相互作用等都位于太赫兹频带范围内,故可应用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对物质实现定性及定量检测。大量研究结果表明,太赫兹时域光谱技术在研究分子结构和区分多晶型药物方面有着其他方法不可比拟的优势。为了深入研究太赫兹时域光谱技术在同分异构体定性鉴别中的机理,本文以两种同分异构体糖类分子(D-(+)-葡萄糖和D-(-)-果糖)为研究对象,用THz-TDS系统对上述样品进行了吸收谱测试,发现通过吸收谱中的特征吸收峰峰位差异可以对二者进行精确的定性鉴别。在此基础上,本文结合量子化学分析方法,分别对葡萄糖和果糖分子的太赫兹吸收峰形成机理进行了深入的解析。经过对晶胞振动模式指认和相互作用可视化分析,研究结果表明,上述两种糖类同分异构体物质在太赫兹频段的特征吸收峰主要来源于分子间官能团的氢键相互作用导致的集体振动模式。本文以三种氨基酸(谷氨酰胺、组氨酸和苏氨酸)单质及其混合物(复合片和混合片)为研究对象,对其样片分别进行太赫兹时域光谱测试,并针对氨基酸混合片实验谱中存在的特殊吸收峰现象进行了深入研究。其中,用Genmer组件完成了剑桥晶体数据中心(CCDC)未收录的氨基酸混合物二聚体团簇构型的构建工作,并且通过半经验算法和密度泛函结合相应的基组对构型进行优化和筛选,结合三种相互作用可视化分析方法(RDG、IGM和IRI)完成了对混合片中特殊吸收现象的机理解析。本文的研究工作为糖类同分异构体和氨基酸的定性识别及其吸收峰的形成机理解析提供了有价值的实验和理论参考,并且通过对混合物团簇的构建,提供了一种新的表征晶体结构的方法。针对氨基酸混合物太赫兹吸收谱中的特殊吸收峰进行光谱特征分析和成因解析,为合理消除特殊吸收峰对混合物吸收谱特征信息提取的影响提供了思路,提高了基于混合物吸收谱的定量分析精度。
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